Odzyskane ciepło z fabryk – korzyść dla przemysłu i środowiska
Większość ciepła procesowego jest uwalniana do środowiska jako spaliny lub ścieki. Odzyskanie i ponowne wykorzystanie tego ciepła przyczynia się do obniżenia zużycia energii oraz zmniejszenia emisji i ilości zanieczyszczeń. Umożliwia też przemysłom ograniczanie kosztów, przestrzeganie wymogów zawartych w rozporządzeniach oraz poprawę wizerunku korporacyjnego, co przekłada się na ich konkurencyjność. Jednym z największych wyzwań jest uwzględnienie ogromnej różnorodności temperatur spalin i ich składników, utrudniającej wykorzystanie uniwersalnych wymienników ciepła. Aby rozwiązać ten problem, twórcy finansowanego ze środków UE projektu ETEKINA, opracowali nowatorskie, dostosowane do potrzeb wymienniki ciepła wykorzystujące rury cieplne (ang. heat pipe heat exchanger, HPHE) i przetestowali je z powodzeniem w pilotażowych placówkach z sektora ceramiki, stali i aluminium.
Szeroka przestrzeń projektowa zaspokaja potrzeby złożonych układów wylotu spalin
Pompy ciepła to rury uszczelnione na obu końcach, zawierające płyn roboczy w stanie nasycenia, co oznacza, że wzrost temperatury spowoduje jego parowanie. Są one wykorzystywane przy zarządzaniu ciepłem w rozmaitych zastosowaniach, od komputerów po satelity i statki kosmiczne. W HPHE rury cieplne montuje się w wiązkach przymocowanych do płyty i umieszczonych w oknie na zawiasach. Źródło ciepła, takie jak spaliny, przepływa do dolnej części. Płyn roboczy paruje i unosi się w rurach, gdzie rozpraszacz ciepła, taki jak chłodne powietrze, wprowadzany jest do górnej części osłony, gdzie wchłania ciepło. Zamknięta struktura minimalizuje stratę, zaś płyta minimalizuje zanieczyszczenie krzyżowe pomiędzy spalinami a powietrzem. HPHE wymagają udostępnienia mniejszej powierzchni, umożliwiając przy tym większy transfer ciepła w porównaniu z konwencjonalnymi metodami. Sprawia to, że są one bardzo wydajne i mniej podatne na zanieczyszczenia. Problemem jest natomiast dobranie parametrów w taki sposób, by odzyskać jak najwięcej ciepła ze złożonych strumieni odpadów. Istnieje tak wiele parametrów, które trzeba uwzględnić: liczba, średnica i długość rur cieplnych oraz materiał, z jakiego je wykonano; ich konfiguracja; sam płyn roboczy itp.
Od modeli po fabryki
Zważywszy na dużą liczbę i różnorodność parametrów opracowano obliczeniową dynamikę płynów oraz modelowanie symulacji systemów przejściowych (TRNSYS), aby pomóc naukowcom zaprojektować dostosowane do potrzeb HPHE dla trzech zastosowań przemysłowych. Na przykład: HPHE z przepływem krzyżowym, z konstrukcją żeberkową, odporny na zanieczyszczenia (żeberka zwiększają powierzchnię, co intensyfikuje transfer ciepła) zaprojektowano po to, by odzyskiwać ciepło odpadowe z paleniska pieca rolkowego do ceramiki. Po raz pierwszy wykorzystano HPHE tego typu w tej konfiguracji w przemyśle ceramicznym. Osłony rur cieplnych wykonano ze stali węglowej, zaś za płyn roboczy posłużyła woda. „Przekroczyliśmy przewidziane w projekcie cele zakładające odzyskiwanie ciepła odpadowego ze spalin na poziomie przynajmniej 40 % Nasze HPHE są też dużo mniejsze niż konwencjonalne wymienniki ciepła, co pozwala na zaoszczędzenie cennej przestrzeni w fabryce. Oprócz wysokiej wydajności, przyczyniającej się do obniżenia kosztów i emisji, oferują one również szybki zwrot z inwestycji”, opowiada Hussam Jouhara z uniwersytetu Brunel University London, techniczny i naukowy koordynator projektu ETEKINA. Systemy z powodzeniem odzyskiwały ciepło bez zanieczyszczeń krzyżowych i przekazywały je z powrotem do fabryki, do wykorzystania w innych procesach. Koncepcja HPHE opracowana w kontekście projektu ETEKINA to wysoce skalowalne rozwiązanie, które można przystosować do każdego rodzaju spalin przemysłowych dla dużego zakresu temperatur. Możliwa jest też integracja HPHE z rozmaitymi rozpraszaczami ciepła, w tym powietrzem, wodą i olejem. Dodatkowo nowatorskie narzędzie służące do powielania pomoże szybko ocenić potencjał odzysku ciepła odpadowego przyszłych klientów.
Słowa kluczowe
ETEKINA, HPHE, spaliny, odzyskiwanie ciepła odpadowego, aluminium, ceramika, stal, obliczeniowa dynamika płynów, modelowanie TRNSYS, wymiennik ciepła wykorzystujący rury cieplne, rura cieplna, wymiennik ciepła, przemysł energochłonny, efektywność energetyczna, efektywność energetyczna w przemyśle
